没有数学公式的RCS讨论都是刷流氓，粗鲁的来个翻译文，申请成为沈飞隐形设计之父一点问题都没有！

雷达横断面

雷达横断面是什么意思？这跟隐形有什么用？

-来自鲍勃理查森的问题

在以前的问题中,我们触及了一些低可见技术的元素。特别是,一篇关于隐形的文章概述了设计飞机时使用的各种方法,以便更难探测。

与您的问题有关的检测方法是通过雷达。雷达是一种系统,它允许车辆的位置、速度和/或方向被跟踪。"雷达"这个词实际上是无线电探测和测距的缩写,因为该装置使用无线电波探测目标。雷达通过发出这些电磁波的脉冲,然后"监听"来进行回声反弹的目标感兴趣。

即使雷达可以在一个单一的脉冲中传输兆瓦的功率,但只有一小部分的能量通常会反弹回被雷达天线接收。从目标返回到发射雷达的功率量取决于四主要因素:

向目标方向传输的能量

影响目标的功率量,反射回雷达方向

雷达天线截获的反射功率量

雷达指向目标的时间长度

用来描述这些变量之间的关系的术语是功率密度,有时也称为功率通量。要了解功率密度,请考虑下图。雷达传输的功率被驱散,因为它传播在一个越来越大的区域。功率分布的区域与发射雷达的距离或范围(R)的平方成正比。在给定区域上的功率分布称为功率密度,而此数量由范围的平方递减。发射雷达波在目标范围内的功率密度有一个特殊的名称,称为入射功率密度(Pincident)。

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一旦雷达功率达到目标,部分电力将被反射回其源头。然而,这种反射的力量也消散和蔓延,因为它回显雷达接收机。由于功率密度在到达目标时已经减少了1/r的系数,并且在回程时又减少了1/r,因此雷达接收到的能量的最终功率密度成正比于1/R4。雷达探测目标的能力取决于所返回的功率是否足够大,可以与内部噪声、地面杂波、背景辐射和其他干扰源区分开来。隐身技术的目标是将如此之少的雷达能量反弹回其源头,使目标几乎无法探测或追踪。

反射回雷达的功率量在很大程度上取决于被称为雷达横断面(RCS)的数量。虽然RCS在技术上是一个区域,通常以平方米(m)表示,但为了更好地理解它的含义,打破这个术语是有帮助的。雷达横断面通常由希腊字母σ(发音"西格玛")表示,数量取决于三因素。

几何剖面:几何剖面指目标向雷达或其投影区域所呈现的区域。该区域将根据目标向雷达显示的角度或方向而变化。换句话说,如果目标是直接飞向雷达,并且被观察到,那么它可能会将最小的投影区域呈现给雷达。从侧面、顶部或下方的视图将呈现一个更大的投影区域。几何剖面(A)根据以下关系确定目标(Pintercepted)截获的雷达(Pincident)所传输的功率:

反射率:反射率指的是被拦截的力量的分数,它反映的是目标,不管方向。雷达功率并不一定能从飞机的所有部分中得到同样的反映,有些部件比其他组件产生更强的雷达反射。此外,某些雷达功率通常被目标吸收。这种吸收尤其适用于涂有特殊物质的飞机,称为雷达吸收材料(RAM)或那些使用被称为雷达吸收器结构(RAS)的内部反射器来捕获雷达波。不管怎么说,在反射目标后,reradiated或散射的功率等于拦截的功率,而不管该功率的哪一部分被目标吸收。反射率定义为目标(Pscatter)与目标(Pintercepted)截获的功率之间的功率比值。

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方向性:方向性与反射率有关,但指的是散射回发射雷达方向的功率。反射到雷达上的功率称为背散射功率(Pbackscatter)。我们已经注意到,雷达能量没有均匀地反射,但方向性被定义为在雷达方向上向散射的功率比,如果散射实际上是均匀的在所有方向。如果能量均匀地散布,它将形成一个球体,从目标的各个方向均匀地展开。这种类型的行为称为各向同性膨胀。各向同性功率(Pisotropic)被定义为分散在一个完美球体上的能量,它位于球体的单位实心角上,如下面的等式所示。

我们曾提到,目标所反映的权力,在某些方面可能会比其他方面强得多。因此,反射功率将比各向同性功率要大得多,也可能要小得多,这取决于目标如何定向到发射雷达。因此,当目标返回一个强的反向散射在雷达的方向上,而当背向散射较小时,其方向性将大大大于1。

这三因素可以结合起来,以确定一个目标的完整的雷达横断面(σ)。

简化该表达式将产生以下与雷达横截面的关系。

雷达剖面的重要性可以通过观察与雷达接收到的能量有关的方程来理解。

S=由雷达Pavg接收的信号能量=平均功率由雷达发射的雷达天线的增益σ=目标Ae的雷达横断面=雷达天线的有效区域,或者"光圈效率=时间雷达天线指向目标(目标时间)R=目标范围

下面的图表给出了一些关于雷达功率通常从目标反射回来和雷达接收的部分的理解。在这种情况下,目标在1到50英里范围内向雷达显示相同的相位。在50英里范围内,雷达接收到的相对功率只有0.00000016,或1.6x10-5%的强度在一英里。这张图生动地说明了能量耗散对距离的影响有多大,以及敏感的雷达必须在短范围内检测目标。

目标回波强度的减小范围

此外,每一个雷达有一个最小的信号能量,它可以检测,一个数量,我们将调用Smin。这种最小信号能量决定了给定雷达可以检测给定目标的最大范围(Rmax)。

下面部分是隐身机之父关键部分，论文第4部分

根据这种关系,将车辆的雷达横断面减少到其原始值的1/第十,将会减少目标可被近44%检测到的最大射程。虽然单独减少的幅度很大,但更大幅度地减少RCS是可能的。

在这一点上,你可能会想知道什么是增益和光圈的含义,但我们将解决那些在未来的文章,讨论雷达的原理更详细。现在,让我们回到雷达横断面,并描述它是如何测量的。

飞机设计者们在传统上面临的最大挑战是制造雷达难以探测的车辆,它能够预测RCS将对任何给定方向的复杂形状产生什么影响。在近几十年,当计算机变得强大到足以解决一系列描述雷达波如何驱散复杂形状的方程式时,这一困难才得以克服。这些等式是基于麦克斯韦的等式由詹姆斯办事员麦克斯韦在mid-1800s开发的。麦克斯韦方程组描述了电场和磁场的行为,是物理学分支的核心,叫做电动力学。虽然麦克斯韦推导出的四方程相对简单,但当试图预测反射雷达能量的形状的电磁特性时,它们会变得相当复杂。

从麦克斯韦方程得出的结果可以在下表中看到。这里提出的方程式,预测的RCS简单的形状,如球体,气缸,平板,和形状的排序根据最大RCS的相对强度。雷达回波的强度也是雷达波对表面或入射角度的影响角度的函数。这个角度是两个角度的函数,称为相位(θ)和方位(φ)角。可变λ代表雷达光束的波长,被假定小于形状的尺寸。

如上表所示,雷达剖面根据形状表面与所传输的雷达光束的入射角度而变化。下面的图表给出了一个圆柱形的RCS与纵横角的变化程度的概念。数据用dBsm表示,或分贝引用一平方米。雷达横断面在平方米可以被转换成dBsm由以下等式。

圆筒的雷达横断面

这种形式的数据也例行收集,以更复杂的形状,如完整的飞机。以下是老人T-33训练师的例子。雷达横断面数据在所有方面提供0方位。

T-33radarcrosssection

由于此表单中收集的数据有些难以阅读和解释,因此在下面绘制的表单中显示RCS测量是很常见的。这种类型的图称为极图,它用于在一个角度范围内绘制中值RCS数据。在这种情况下,T-33结果以10的增量绘制。

这些medianized的地块使我们能够更好地看到飞机周围RCS行为的趋势。最大的雷达回波可以从飞机的侧面看到,那里的大型垂直尾部和wingtip燃料箱产生强烈的反射。前后两方面也产生了相对较大的RCS的峰值,可能是由于反射的喷气引擎的叶片。最小的RCS测量往往来自侧面信封的角落,那里没有垂直于雷达源的表面,并且引擎被屏蔽从视野。虽然其他飞机的RCS值的大小将有很大的差异,从那些显示的T-33,这里所示的趋势可能代表大多数其他飞机。

然而,总的来说,最重要的RCS测量被认为是"头"视图。为飞机和其他飞行车辆提供的RCS值几乎总是基于这个方向。然而,由于rcs的变化取决于相位、雷达频率和波长以及接收机的保真度,因此很难直接将rcs估计从一架飞机与另一平面进行比较。

上面的数字说明了飞机和其他物体的典型RCS值,包括从昆虫到鸟类到大型地面车辆和船只。隐形飞机的RCS通常是比常规飞机低很多的数量级,通常与一只小鸟或大昆虫相媲美。

——文字整理自某网友的翻译